1 电 介 质 物 理 学
绪 论
电介质(dielectric)是在电场作用下具有极化能力并能在其中长期存在电场的一种物质。电介质具有极化能力和其中能够长期存在电场这种性质是电介质的基本属性．也是电介质多种实际应用(如储存静电能)的基础。静电场中电介质内部能够存在电场这一事实，已在静电学中应用高斯定理得到了证明，电介质的这一特性有别于金属导体材料，因为在静电平衡态导体内部的电场是等于零的。
如果运用现代固体物理的能带理论来定义电介质，则可将电介质定义为这样一种物质：它的能级图中基态被占满．基态与第一激发态之间被比较宽的禁带隔开，以致电子从正常态激发到相对于导带所必须的能量，大到可使电介质变到破坏。电介质的能带结构可以用图一示意，为了便于将电介质的能带结构和半导体、导体的能带结构相比较，图中分别画出了它们的能带结构示意图．
电介质对电场的响应特性不同于金属导体。金属的特点是电子的共有化，体内有自由载流子，从而决定了金属具有良好的导电件，它们以传导方式来传递电的作用和影响。然而，在电介质体内，一股情况下只具有被束缚着的电荷。在电场的作用下，将不能以传导方式而只能以感应的方式，即以正、负电荷受电场驱使形成正、负电荷中心不相重合的电极化方式来传递和记录电的影响。尽管对不同种类的电介质，电极化的机制各不相同，然而，以电极化方式响应电场的作用，却是共同的。正因为如此 研究电介质在电场作用下发生极化的物理过程并导出相应的规律，是电介质物理的一个重要课题。
由上所述，电介质体内一般没有自由电荷，具有良好的绝缘性能。在工程应用上，常在需要将电路中具有不同电势的导体彼此隔开的地方使用电介质材料，就是利用介质的绝缘特性，从这个意义上讲，电介质又可称为绝缘材料(Insulating material)或绝缘体(insulator)。
与理想电介质不同，工程上实际电介质在电场作用下存在泄漏电流相电能的耗散以及在 2 强电场下还可能导致电介质的破坏。因此，如果将电介质物理看成是一种技术物理，那么除要研究极化外，还要研究有关电介质的电导、损耗以及击穿特性，这些就是电介质物理需要研究的主要问题。
校内讲义
电 介 质 物 理
二〇〇六年十二月
i 前 言
电介质是在电场作用下具有极化能力并能在其中长期存在电场的一种物质。其特征是以正、负电荷重心不重合的电极化方式传递、存储或记录电的作用和影响，但其中其主要作用的是束缚电荷。极化是电介质的基本属性，也是电介质多种实际应用（如储存静电能）的基础。
电介质物理学主要是研究界之内不束缚电荷在电场（包括光频电场）、应力、温度等作用下的电极化及运动过程，阐明电极化规律与介质结构的关系，揭示介质宏观介电性质的微观机制，同时也研究介电性质的测量方法，以及各种电介质的性能，进而发展电介质的效用。电介质的物理形态可以是气体、液体或固体，自然界中分布极广，本讲义主要介绍固体电介质。
电介质与金属对电场的响应特性是不同的，金属中的电子是共有化的，金属内有自由载流子，使金属具有良好的导电性，它们以传导的方式来传递电的作用和影响。在电介质体内，一般情况下只具有被束缚的电荷，在电场的作用下只能以感应的方式，即电极化（在电场作用下正、负电荷中心不重合）的方式来传递和记录电的影响。尽管对不同种类的电介质，电极化的机制各不相同，但是以电极化方式响应电场的作用却是共同的。因此，研究电介质在电场作用下发生极化的物理过程并推导出相应的规律，是电介质物理的重要课题之一。
由于实际电介质与理想电介质不同，在电场作用下，实际电介质存在泄漏电流和电能的耗散以及在强电场下可能导致的电介质破坏，因此，电介质物理除了研究极化外，还要研究有关电介质的电导、损耗、以及击穿特性。这些就是经典的电介质物理研究的主要内容。
20世纪20年代，关于原子结构和分子结构的研究开始发展的时候，电极化基本过程的研究也发展起来，它从物理学分离出来并成为一个独立分支。目前备受关注的课题包括：（1）材料性质的第一性原理计算；（2）驰豫铁电体；（3）非均匀介质；（4）有限尺寸材料；（5）电解质的驰豫特性研究；（6）微波介质和低介电常数材料
第二章 变化电场中的电介质
2-1 什么是瞬时极化、缓慢极化？它们所对应的微观机制代表什么？
极化对电场响应的各种情况分别对何种极化有贡献？
答案略
2-2 何谓缓慢极化电流？研究它有何意义？在实验中如何区分自由
电荷、束缚电荷随产生的传到电流？
答案略
2-3 何谓时域响应、频域响应？两者的关系如何？对材料研究而言，
时域、频域的分析各由什么优缺点？
答案略
2-4 已知某材料的极化弛豫函数f(t)=1
τe-t/τ，同时材料有自由电荷传
导，其电导率为γ，求该材料的介质损耗角正切tgδ。
解 ：由弛豫函数 f(t)=1
τe-t/τ可知 德拜模型
极化损耗 tgδP，漏导损耗 tgδG
如果交变电场的频率为 ω；
则tgδP=(εs-ε∞)ωτ 22εs+ε∞ϖτ
tgδG=ε-εγ1(+s
2∞2) ωε0ε∞1+ωτ
该材料的介质损耗正切为：tgδ=tgδP+tgδG
2-5 在一平板介质（厚度为d，面积为S）上加一恒定电压V，得 到通过介质的总电流为I=α+βe-Vt,已知介质的光频介电常数为 ε∞，求单位体积内的介质损耗、自由电子的电导损耗、极化 弛豫与时间的关系。若施加频率为ω的交变电场，其值又为多 23
少？并求出介质极化弛豫函数f（t）。
解 ：在电场的作用下（恒场）介质中的功率损耗即为介质 损耗
电功 dA=Vdq=VI(t)dt
A=⎰VI(t)dt=⎰(α+βe-Vt)Vdt=αVt+β(1-e-Vt) 00tt
∂A=αV+βVe-Vt=I(t)V ∂t
W1=(αV+βVe-Vt) 单位体积中的介电损耗 ：w=dsds
αV 自由电子电导损耗 ： w1= ds
βV-Vte 极化弛豫损耗 ： wα=ds W=
电导率 ：R=ρdVsV,I0=α== , sRρd
电流 ： I=α+βe-Vt
其中 IR=α为传导电流
Ir=βe-Vt为极化电流
dQrd(sσr)dP==sr dtdtdt
第 三 章 静电场中的电介质（6学时）
一、目的要求
1．掌握电介质极化机制，熟悉极化强度、极化率、介电常数等概念。
2．会求解极化强度和介质中的电场。
3．掌握有介质时的场方程。
4．理解电场能量、能量密度概念，会求电场的能量 。
二、教学内容与学时分配
1．电介质与偶极子（ 1学时）
2．电介质的极化（1学时）
3．极化电荷（1学时）
4．有电介质时的高斯定理（1学时）
5．有介质的场方程（1学时）
6．电场的能量（1学时）
三、本章思路
本章主要研究电介质在静电场中的特性，其基本思路是：电介质与偶极子→电介质的极化→电介质的极化规律 →有介质的静电场方程 →静电场的能量。
四、重点难点
重点：有介质的静电场方程
难点：电介质的极化规律。
五、讲授要点
§3.1 电介质与偶极子
一、教学内容
1．电介质概述
2．电介质与偶极子
3．偶极子在外电场中受到的力矩
4．偶极子激发的静电场
二、教学方式、
讲授
三、讲课提纲
1.电介质概述
电介质是绝缘材料，如橡胶、云母、玻璃、陶瓷等。
特点：分子中正负电荷结合紧密，处于束缚状态，几乎没有自由电荷。
当导体引入静电场中时，导体对静电场有很大的影响，因静电感应而出现的感应电荷产生的静电场在导体内部将原场处处抵消，其体内00EEE，且表现出许多特性，如导体是等势体、表面是等分为面、电荷只能分布在表面等；如果将电介质引入电场中情况又如何呢？实验表明，电介质对电场也有影响，但不及导体的影响大。它不能将介质内部的原场处处抵消，而只能削弱。介质内的电场00EEE。
2．电介质与偶极子
(1)电介质的电结构
电介质原子的最外层电子不像金属导体外层电子那样自由，而是被束缚在原子分子上，处于事缚状态。一般中性分子的正负电荷不止一个，且不集中于一点，但它们对远处一点的影响可以等效为一个点电荷的影响，这个等效点电荷的位置叫做电荷“重心”。分子中电荷在远处一点激发的场近似等于全部正负电荷分别集中于各自的“重心”时激发的场，正负电荷“重心”重合在一起的称无极分子，如 H ,N ,CO 等。正负电荷“重心”不重合在一起的称有极分子，像SO ,H O,NH 等。这样一个分子等效为一个偶极子。
